قرّب مغناطيسين من بعضهما، فتجذبهما قوة غير مرئية إلى بعضهما أو تدفعهما بعيدًا. يلاحظ الأطفال ذلك فورًا، ويلاحظه الكبار أيضًا. فكيف تعمل المغناطيسات، ولماذا تبدو اللعبة المغناطيسية مختلفة عن لعبة تُغلق بنقرة فقط؟ إليك المغناطيسية للأطفال والكبار بكلمات بسيطة ومع المصادر.
باختصار
- يصنع المغناطيس مجالًا مغناطيسيًا غير مرئي. وله قطب شمالي وقطب جنوبي: الأقطاب المختلفة تتجاذب، والأقطاب المتشابهة تتنافر.
- في الحديد والنيكل والكوبالت، تصطف التأثيرات المغناطيسية الدقيقة للإلكترونات داخل مناطق صغيرة تسمى النطاقات (domains). فإذا اصطفت النطاقات صارت القطعة مغناطيسًا دائمًا.
- ما تشعر به من جذب ودفع في الألعاب المغناطيسية هو هذه الفيزياء نفسها، ولا شيء أكثر غموضًا من ذلك.
الجواب المختصر
المغناطيس، بتعبير ويكيبيديا، هو «مادة أو جسم يُنتج مجالًا مغناطيسيًا». المجال غير مرئي، لكنه هو الذي يجعل المغناطيس يجذب الحديد أو يدفع مغناطيسات أخرى ويجذبها. وتقول ناسا ببساطة: للمغناطيس طرفان يسميان القطب الشمالي (N) والقطب الجنوبي (S)، والمنطقة التي يمكن الشعور فيها بجذبه ودفعه تسمى عمومًا المجال المغناطيسي.
أي الأقطاب تجذب، وأيها تدفع؟
تعطي صفحة ناسا التعليمية في مركز غودارد القاعدة في جملة واحدة: الطرف N يتنافر مع الطرف N في مغناطيس آخر، وS يتنافر مع S، بينما يتجاذب N وS. ويمكن لأي قطب أيضًا أن يجذب أجسامًا من الحديد مثل الدبابيس ومشابك الورق.
| ماذا تفعل | ماذا يحدث |
|---|---|
| تقرّب قطبًا شماليًا من قطب جنوبي | يتجاذبان. |
| تقرّب قطبًا شماليًا من قطب شمالي (أو جنوبيًا من جنوبي) | يتنافران. |
| تقرّب أيًّا من القطبين من دبوس أو مشبك ورق | ينجذب الجسم الحديدي. |
وتقول صفحة ناسا للأطفال عن مهمة Mars Global Surveyor إن المجالات المغناطيسية، «ببساطة»، هي مناطق تأثير المغناطيس. كما تصف خدعة كلاسيكية: انثر برادة الحديد فوق مغناطيس على شكل قضيب فتشكل دوائر تُظهر خطوط المجال المغناطيسي.
لماذا بعض الأشياء فقط مغناطيسية؟
تذكر ويكيبيديا أن العناصر الحديد والنيكل والكوبالت وسبائكها مواد يمكن تمغنطها. والسبب داخل الذرات. تقول المقالة نفسها إن في كثير من المواد لفّات (سبينات) إلكترونية غير مقترنة، وعندما تصطف هذه اللفّات تلقائيًا تكون المادة فرّومغناطيسية (ferromagnetic).
ويصف موقع HyperPhysics، التابع لجامعة ولاية جورجيا، الأمر هكذا في المواد الفرّومغناطيسية: تصطف لفّات الإلكترونات غير المقترنة موازيةً لبعضها في منطقة تسمى نطاقًا (domain). وداخل النطاق يكون المجال قويًا، لكن النطاقات الكثيرة موجَّهة عشوائيًا بالنسبة لبعضها.
ما النطاق المغناطيسي؟
تعرّف ويكيبيديا النطاق المغناطيسي بأنه «منطقة داخل مادة مغناطيسية يكون فيها الاستقطاب المغناطيسي في اتجاه موحّد». يمكن للنطاقات المتجاورة أن تشير إلى اتجاهات مختلفة، فتلغي مجالاتها بعضها بعضًا إلى حد كبير خارج المادة في قطعة الحديد العادية.
والتمغنط يغيّر ذلك. بحسب المقالة نفسها، يجعل مجال مغناطيسي خارجي النطاقات التي تتجه مع المجال تنمو على حساب غيرها. وعند إزالة المجال تبقى النطاقات المصطفة، وتبقى القطعة مغناطيسية. وهكذا تصبح قطعة المادة الفرّومغناطيسية مغناطيسًا دائمًا. وتضيف المقالة أن تسخين المغناطيس أو طرقه قد يحرر جدران النطاقات فيفقد مغناطيسيته.
المغناطيسات الدائمة والمغناطيسات الكهربائية
تفرّق ويكيبيديا بين نوعين. المغناطيس الدائم مصنوع من مادة ممغنطة وتنتج مجالها المغناطيسي الدائم بنفسها. والمغناطيس الكهربائي ملفّ من سلك يعمل كمغناطيس ما دام التيار الكهربائي يمر فيه، ويتوقف بتوقف التيار. أما المكعبات التي تلتصق ببعضها دون توصيل بأي كهرباء فتعتمد على النوع الأول.
لماذا تمنح الألعاب المغناطيسية هذا الشعور بالرضا
لم نجد دراسة تقيس لماذا تمنح الألعاب المغناطيسية هذا الشعور بالرضا، لذلك نصف هنا فقط ما تتيح لك الفيزياء أن تشعر به. تلاحظ ويكيبيديا أن قوة مجال المغناطيس تتناقص مع مكعب المسافة عن مركزه. وبعبارة يومية: يؤثر المغناطيس بقوة عن قرب شديد وبضعف على مسافة أبعد قليلًا. لذلك يُشعر بالجذب في الغالب عندما تقترب القطعتان.
وقاعدة الأقطاب تفعل الباقي. القطعتان اللتان تلتقيان بالاتجاه الصحيح تنجذبان إلى مكانهما. أدِر مغناطيسًا واحدًا فتصبح الأقطاب التي التقت متشابهة فتتدافع. لا تحتاج إلى نتوء ولا إلى فتحة ولا إلى نقرة، يكفي أن يواجه الجانب الصحيح الاتجاه الصحيح.
وتذكر ويكيبيديا أيضًا ألعاب الأطفال ضمن الاستخدامات اليومية للمغناطيسات، وتعرض مجموعة بناء مصنوعة من قضبان مغناطيسية وكرات معدنية.
المغناطيسية للأطفال: ما الذي تنتبه له أثناء اللعب
- أي الجوانب تتجاذب معًا، وأيها يتدافع؟
- هل يضعف الدفع أو الجذب عندما تتباعد القطعتان؟
- هل يجذب المغناطيس كل مادة في الغرفة، أم بعضها فقط؟
هذه الأسئلة نفسها هي ما تجيب عنه المصادر أعلاه، ويستطيع الطفل اختبارها في دقيقة. ملاحظة صريحة: تحذّر ويكيبيديا من أن ابتلاع المغناطيسات قد يكون خطيرًا، خاصة إذا ابتُلع منها اثنان أو أكثر. اقرأ ملاحظات العمر والقطع الصغيرة على أي لعبة مغناطيسية أولًا.
ماذا كنا سنختار
للبناء، مكعبات Pixel Magnetic Blocks (مكعبات البكسل المغناطيسية) لدينا بطول 2 سم ومغناطيسية من كل الجهات. تقول الصفحة: إذا تلامس مكعبان التصقا بنقرة. والمغناطيسات محكمة الإغلاق داخل غلاف ABS، وتأتي المجموعات بعدد 100 أو 200 أو 400 مكعب مع شخصيات صغيرة وكتيّب تعليمات. وتذكر الصفحة أن فيها قطعًا صغيرة وأنها ليست للأطفال دون الثالثة.
وللقيادة، RC Magnetic Snake (الأفعى المغناطيسية بالتحكم عن بعد) أفعى يُتحكَّم بها عن بعد: تقودها بجهاز التحكم، وتنثر المكعبات المغناطيسية وتشاهد الذيل يطول مع كل قضمة. تُصدر أصواتًا أثناء حركتها، وبطاريتها المدمجة قابلة للشحن بكابل USB، ويحتاج جهاز التحكم إلى بطاريتين AA. تذكر الصفحة أن العمر 6 سنوات فما فوق، وأنها مختبرة وفق ASTM F963-23 وCPSIA، وأن المغناطيسات مغلقة داخل المكعبات واجتازت اختبار المغناطيسات في ASTM F963. وتأتي الأفعى المفردة (Single Snake) مع 7 مكعبات مغناطيسية، وتضم مجموعة المعركة (Battle Set) أفعيين و14 مكعبًا.
المصادر
- Magnet، ويكيبيديا: التعريف، والمجال، والحديد والنيكل والكوبالت، والمغناطيسات الدائمة والكهربائية، وتناقص قوة المجال مع المسافة، والألعاب ضمن الاستخدامات الشائعة، والتحذير من ابتلاع المغناطيسات.
- Magnetic domain، ويكيبيديا: تعريف النطاق، ولماذا يكون المجال الخارجي ضعيفًا في المادة غير الممغنطة، وكيف يصفّ التمغنط النطاقات، وإزالة المغنطة بالتسخين أو الطرق.
- Ferromagnetism، ويكيبيديا: العناصر الفرّومغناطيسية الشائعة، واصطفاف العزوم المغناطيسية للذرات المتجاورة.
- Ferromagnetism، HyperPhysics، جامعة ولاية جورجيا: اصطفاف لفّات الإلكترونات غير المقترنة في النطاق، والنطاقات الموجَّهة عشوائيًا.
- Magnetic Fields، صفحات ناسا التعليمية في غودارد: القطبان الشمالي والجنوبي، وقاعدة التنافر والتجاذب، وجذب المغناطيسات للدبابيس ومشابك الورق.
- Mars Global Surveyor Magnetic Field Investigation, kids’ page، ناسا: المجالات المغناطيسية بوصفها مناطق تأثير المغناطيس، وبرادة الحديد التي تُظهر المجال.
